1. 引言
随着世界能源格局的变化，我国积极响应国际呼声，明确提出了2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标。光伏发电作为清洁能源，在全国范围迎来了广泛的发展。2021年国家能源局发布了《关于2021年风电、光伏开发建设有关事项的通知》国能发新能[2021] 25号[1]，明确提出2021年全国风电、光伏发电量占社会用电量的比重达到11%左右，后续逐年提高，确保2025年非化石能源占一次能源消费的比重达到20%左右。国务院发改委、能源局《关于推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见》发改能源规[2021] 280号[2]，推进风、光、水、储的增量发展，火电以盘活存量为主，严控增量，外送输电通道可再生能源电占比原则上不低于50%。国家能源局综合司《关于公布整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点名单的通知》国能综通新能[2021] 84号[3]，推进屋顶分布式光伏建设，有利于整合资源实现集约开发，有利于削减电力尖峰负荷，有利于节约优化配电网投资，有利于引导居民绿色能源消费，是实现“碳达峰，碳中和”与乡村振兴两大国家战略的重要措施。
2. 一些关于光伏发电的基本知识
2.1. 光伏发电原理
太阳能电池组件经日光照射后形成光生伏特效应，形成低压直流电流，电池组件串联后经控制器、组串式逆变器转变为交流电，再接入升压器[4]。
2.2. 太阳能电池
常用的太阳能电池单块容量(发电功率)约560 Wp。[Wp是标准太阳光照条件下的太阳能电池输出功率单位，W代表Watt (瓦特)，p代表peak (峰值)]。单块组件尺寸约为2278 mm × 1134 mm × 35 mm。由此可推算每平方米每小时可发电约0.2 kwh。
2.3. 光伏电池分类方法
光伏电池分类方法有基本分类、结构分类、用途分类、工作方式分类四大分类方法[5]。
2.3.1. 按基本分类
晶体硅光伏电池(单晶硅、多晶硅)、硅基薄膜光伏电池(非晶硅、微晶硅、纳米硅)、化合物光伏电池、有机半导体光伏电池。
2.3.2. 按结构分类
同质结光伏电池、异质结光伏电池。
2.3.3. 按用途分类
空间光伏电池、地面光伏电池。
2.3.4. 按工作方式分类
平板光伏电池，聚光光伏电池。
2.4. 光电转化效率
各类光伏电池光电转化效率见表1。
Table 1. Photovoltaic conversion efficiency of various types of photovoltaic cells
表1. 各类光伏电池光电转化效率
电池种类 |
实验室最高效率 |
商业化批量生产效率 |
单晶硅光伏电池 |
24.7% |
21% |
多晶硅光伏电池 |
20.3% |
18% |
非晶硅薄膜光伏电池 |
23.3% |
6%~8% |
碲化镉(CdTe)光伏电池 |
21.5% |
12%~14% |
铜铟镓硒(CIGS)光伏电池 |
16.5% |
9%~11% |
高倍聚光光伏电池 |
42.7% |
/ |
2.5. 各类光伏电池优缺点分析
晶体硅光伏电池以绝对优势占据着光伏电池市场，主要是由于地球上硅原材料贮量丰富，晶体结构稳定，硅半导体器件工艺成熟，对环境的影响很小，而且有希望进一步提高光电效率，降低生成成本，目前晶体硅电池占光伏电池总量的93% [6]。
2.5.1. 单晶硅电池
单晶硅比多晶硅光电转换效率高约3%，单晶硅的发电优势：低工作温度、弱光响应、低线损、低衰减等特性。从第二年起，单晶硅组件年平均衰减0.55%，多晶硅为0.73%。但单晶硅电池比多晶硅电池价格高。
根据硅片原材料可将单晶硅光伏组件分为N型电池与P型电池。N型电池在组件效率、组件功率、发电系数、衰减系数等各方面参数都比P型电池更有竞争力。
2.5.2. 薄膜光伏电池
薄膜光伏电池多用于附着建筑物表面，其柔性好，但光电效率比晶体硅低。
2.5.3. 化合物光伏电池
化合物光伏电池包括：砷化镓电池、硫碲化镉电池、铜铟镓硒电池等。碲、铟、硒地壳中含量少，同时砷、镉、铟都是有毒物质，对人体有害[7]。
2.5.4. 聚光光伏电池
聚光光伏电池光电转化效率高，但需要配备一套包括聚光器、散热器、跟踪器及机械传动等组成的聚光系统。因为聚光使电池板变热，在同样光照条件下，电池输出功率随温度升高而降低，每升高一度，效率下降0.1%~0.45%，所以必须有散热器，该系统后期维护开销较大。
3. 光伏结构支架的分类
3.1. 按光伏分布形式划分
按光伏分布形式划分可分为集中式光伏和分布式光伏。集中式光伏通常安装在偏远的荒漠、戈壁或沙漠地区，这些地区地广人稀，土地成本较低。集中式光伏电站的规模较大，装机容量可达数百兆瓦甚至吉瓦级别。分布式光伏则安装在用户附近，如厂房屋顶、庭院等，规模相对较小，通常在数千瓦至数兆瓦之间。分布式光伏系统通常位于人口密集或建筑密集的地区，如城市和工业园区、乡村民房屋面光伏等[8]。
3.2. 按光伏支架倾角是否可调划分
根据光伏支架倾角是否可调整划分：固定式光伏支架和可调式光伏支架。
3.3. 按光伏支架布置位置划分
按光伏支架布置位置可分为屋面光伏支架和地面光伏支架。屋面光伏支架又可划分为混凝土屋面支架、彩钢屋面支架、瓦屋面支架；地面光伏支架可分为平地支架和山地支架。
3.4. 按光伏支架结构形式划分
按结构形式可将光伏支架划分为刚性支架和柔性支架。
3.4.1. 刚性支架
根据《光伏支架结构设计规程》(NB/T10115-2018) [9]刚性支架分为双列单坡支架、单列单坡支架、独立柱支架，此外还有用于屋面的导轨支架。
1) 双列单坡支架
双列单坡支架一般可由排架或框架组成，其结构形式为静定或超静定结构，可根据倾角及荷载大小取消支撑或调整支撑角度；根据地形可调整前后立柱高度；分析采用杆系单元建模；用于地面光伏时，基础选用混凝土微钻孔桩或螺旋钢桩，当用于屋面光伏时，基础采用混凝土预制块，根据实际荷载复核原主体结构是否需要加固。适用范围：地面光伏，混凝土屋面光伏，山地起伏不大的山地光伏。
2) 单列单坡支架
结构形式一般为静定结构，结构计算时采用杆系单元建模，抱箍节点需有限元计算并现场通过实验复核。适用范围：渔光互补，农光互补，单轴可调支架。
3) 独立柱支架结构体系
独立柱支架结构受力体系及适用范围与单列单坡支架类似。
4) 屋面导轨式光伏支架
结构形式一般为连续梁(导轨)，根据荷载大小可调整连续梁的跨度，采用梁单元计算，节点为异型铝合金咬口式节点，无基础，但应复核计算原主体结构或檩条是否需要加固。适用范围：适用于彩钢屋面及瓦屋面光伏。
3.4.2. 柔性支架
柔性支架是指以拉索为主要受力构件而形成的预应力结构体系。它的主要材料是钢材和拉索，按结构形式可分为两大类：以柔性拉索为主的单层悬索结构柔性体系和以刚性构件(撑杆等)与柔性拉索组合而成的索桁架结构、张弦结构等半刚性体系。一般适用于大跨度的支架，如山地光伏，农光互补，渔光互补，污水处理厂等项目。柔性支架立柱的基础可根据地勘报告选用独立基础及桩基础，但边柱处的斜拉杆建议采用桩基来承担索预拉力产生的上拔力。
常用的柔性支架可分为单层悬索结构、双层索桁架结构、鱼腹式索桁架结构、张弦结构等。
1) 单层悬索结构(图1)
受力特点：单层悬索结构，索体代替一般受拉构件，通过张拉支撑索获得应力刚度形成自平衡体系。
优点：结构形式简单，受力模式单一，地形适应性强，施工效率高。
缺点：全柔性体系，整体刚度弱，在风压或风吸力作用下，易产生较大变形，容易整体失稳，存在组件隐裂风险，在实际应用时对其技术要求较高，并且要求具有相应的抗风措施。
适用条件：跨度 ≤20 m；跨度超过10 m或基本风压超过0.5 kN/m2，宜设置防风装置。
Figure 1. Single layer suspension structure
图1. 单层悬索结构
2) 双层索桁架结构(图2)
受力特点：索体由平行的上弦索与曲率向上的下弦索构成，通过张拉双层索获得应力刚度形成自平衡体系。
优点：索体张拉后由锚固装置固定于支撑结构上，组件支撑索用于支撑组件，承重索抵抗向下的竖向荷载，结构具有良好的刚度和稳定性。
缺点：未设置稳定索，风吸力由组件支撑索承担，结构对风吸力更加敏感，不宜用于大跨度(≥30 m)结构和基本风压较大的地区。
适用条件：跨度20 m~30 m中等跨度；基本风压 ≤ 0.45 kN/m2。
Figure 2. Double layer cable truss structure
图2. 双层索桁架结构
3) 鱼腹式索桁架结构(图3)
受力特点：除支撑索外，下弦由曲率相反的两种索体组成，通过张拉索体获得应力刚度形成自平衡体系。
优点：承重索抵抗向下的竖向荷载，稳定索抵抗向上的竖向荷载(风吸力)，结构的面内与面外刚度均由预拉力提供，具有良好的刚度和形状稳定性。
缺点：结构形式较复杂，三层索均需施加预拉力，为避免预拉力施加过程中支撑构件产生过大的弯矩和变形，需严格把控施工质量。施加的预拉力不协调，往往会使材料利用率下降。
适用条件：跨度20~60 m中大跨度；可用于风压较大的地区。
Figure 3. Fish belly cable truss structure
图3. 鱼腹式索桁架结构
4) 张弦结构(图4)
受力特点：上弦采用刚性结构，下弦采用柔性拉索，在预应力作用下，撑杆对上弦起到弹性支撑作用，以改善上部结构的受力状态，从而形成自平衡体系。
优点：用撑杆连接上部压弯构件和下部受拉构件，通过施加预拉力，使上部结构产生反挠度，提高了上部结构的承载能力与变形能力。
缺点：相对于其他柔性体系，结构整体用钢量较高；属于平面受力体系，跨度太大要严格计算分析面外失稳的问题。
适用条件：30 m以上中大跨度；可用于基本风压较大的地区；一般适用于平地。
Figure 4. String structure
图4. 张弦结构
4. 光伏支架结构设计要点分析
1) 建筑光伏一体化的工程除外，其设计工作年限为25年，安全等级为三级，抗震设防类别为丁类[10]，地基基础设计工作年限为50年，设计等级为丙类。
2) 建筑光伏一体化的工程除外，光伏支架结构设计时，应按25年重现期确定基本风压和基本雪压；地基基础设计时，应按50年重现期确定基本风压和基本雪压；其中基本风压不应小于0.3 kPa。
3) 光伏支架纵向抗侧力体系，应在每个结构单元分别设置柱间支撑，且在柱间支撑的开间顶部应设置顶面水平支撑。柱间支撑可采用十字交叉形、人字形、八字形等形式，水平支撑宜采用十字交叉形支撑。十字交叉形支撑可按拉杆设计，当采用带张紧装置的圆钢十字形交叉支撑时，圆钢与构件夹角应在30˚~60˚之间；其余形式支撑应按压杆设计，长细比除按应力计算控制外，不应大于200。
4) 混凝土屋面光伏支架立柱宜坐落在屋面梁上；彩钢屋面夹具宜布置在主梁或檩条上，不宜以彩钢屋面作为受力点。在既有建筑上设置屋面光伏支架时，应验算原有结构是否满足新增荷载要求。
5) 根据《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB 55015-2021 [11]第5.2.1条，新建建筑应安装太阳能系统。因此建议在新建建筑设计时，考虑预留光伏组件及支架的荷载。
6) 钢筋混凝土屋面的光伏支架采用混凝土配重块的方式来抵抗风吸力作用时，将导致原结构的屋面荷载增加很大，可能导致原结构承载能力不足，在能保证施工质量的前提下，可将基础短柱的钢筋植筋锚入屋面梁，见图5，这将很大程度上减轻屋面的附加荷载，但一定要保证后补的防水做法工程质量。
Figure 5. Sample of basic short column construction method
图5. 基础短柱做法大样
7) 柔性支架在风荷载作用下变形较大，较容易引起组件隐裂，为控制结构变形，建议采用半刚性构件支撑光伏组件，即索桁架结构或张弦结构。在风荷载很大的地区，可附加下弦索的垂直支撑及撑杆。
8) 拉索的预应力损失。柔性支架的预应力损失通常包括摩擦损失、锚固损失、拉索的松弛和徐变及分批张拉引起的预应力损失，因此建议前期支座拉索时选用高强度低松弛钢丝束，制作前进行破断力试验；结合预应力施加方式与节点构造，选用压缩变形较小的锚具；施工过程中可采取适当的超张拉措施。此外，因拉索长期暴露在室外环境中，昼夜温差较大，设计过程中由温度作用引起的预应力损失也不容忽视。
9) 拉索振动问题。拉索截面为圆形，且没有结构阻尼，容易产生风雨激振现象。目前拉索的振动控制措施主要有三种：
a) 附加阻尼设备。可以通过在拉索和钢梁之间安装结构阻尼器，增加拉索的阻尼，抑制振动的产生。
b) 拉索相互连接。通过将相邻拉索用钢丝相互连接的方式机械地限制振动的发生。
c) 改变拉索形状来控制振动力。
5. 工程实例
5.1. 项目概况
江夏污水处理厂清水入江(二期)分布式光伏发电项目，位于青郑高速以东、107国道以西、臣子山及邢远长街西延线合围地块。项目拟规划容量为3.115 MWp，共使用标准功率为575 Wp高效单晶硅光伏组件5417块，组件布置在屋顶屋面、停车场顶棚、生物池顶等建构筑物上，采用“自发自用，余电上网”的方式。
5.2. 结构设计基本信息
武汉市江夏区，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度0.05 g，设计地震分组为第一组；折算后25年一遇基本风压为0.31 kPa ≥ 0.3 kPa，取0.31 kPa设计；折算后25年一遇基本雪压为0.42 kPa；光伏支架主体结构在正常维护下结构设计工作年限为25年，抗震设防类别为丁类。拟定组件规格2278 × 1134 × 30 mm，单块组件质量32 kg，固定倾角5.0度。
5.3. 结构构件材料等级
光伏支架结构中，柱、梁、檩条一般由强度控制，选用低合金高强度结构钢Q355B；柱间支撑、水平支撑、减小檩条计算长度用的撑杆及拉条等一般由长细比控制(拉紧的圆钢除外)，采用碳素结构钢Q235B；基础支墩采用C30混凝土。
5.4. 结构形式
本项目均为在原建构筑物屋面加设光伏组件，均采用刚性支架。结构设计软件采用盈建科光伏支架结构设计软件Y-PV5.3.0和PKPM结构设计软件。
1) 加药间、鼓风机房、管理综合用房、生化池、接触消毒池原设计为钢筋混凝土结构不上人屋面，横向采用无支撑纯框架结构，见图6，纵向采用有支撑排架结构。
Figure 6. Schematic diagram of horizontal structure
图6. 横向结构示意图
Figure 7. Calculation of stress ratio for rigid support
图7. 刚性支架计算应力比图
根据计算结果，最大应力比(图7)为檩条的负弯矩区，最大应力比为0.88。
2) 污泥脱水机房屋面为钢结构彩钢瓦屋面，在彩钢瓦波峰处通过安装夹具来固定导轨，最终光伏组件安装在导轨上，见图8。
Figure 8. Detailed diagram of fixture connection
图8. 夹具连接大样图
3) 车棚屋面光伏。本项目车棚为新建建筑物，主体结构及基础设计工作年限为50年，采用单坡单跨轻型门式刚架结构，跨度22 m，低端柱顶标高3.5 m，高端柱顶标高5.5 m；抗震设防类别为丙类，基本风压为0.4 kPa (n = 100)；基本雪压为0.6 kPa (n = 100)。屋面不设彩钢板，光伏组件直接安装在檩条上，组件间缝隙安装横竖向排水沟槽，形成完整的屋面板。基础形式采用钢筋混凝土独立基础，埋深−1.000，地基持力层为原工程强夯处理后的土层，地基承载力特征值fak不小于140 kPa。
根据计算结果，柱构件的最大应力比为0.96，梁构件的最大应力比为0.77，见图9。
Figure 9. Stress ratio calculation for carport structure
图9. 车棚结构计算应力比图
6. 结论
搜集了国家及行业关于光伏发电的政策性文件，介绍了光伏发电关于电气专业的基本知识，对常用的光伏电池类型进行了分类，并分析了各类光伏电池的优缺点，总结了光伏结构支架的分类，详细地分析了各种支架的优缺点及适用情况，对光伏支架结构设计要点进行了较全面的阐述，以避免支架在后期使用阶段出现安全隐患。通过工程案例，介绍了基本风压、基本雪压的取值，结构材料的选用，刚性支架结构类型的选择方法。
NOTES
*第一作者。